Wykład_5 spoiwa dla studenta 2010

SPOIWA MINERALNE

P O D S TAW O W E P O J Ę C I A

SPOIWO

SPOIWO MINERALNE

MINERALNE

- rozdrobniony materiał skalny, który po zmieszaniu z wodą daje

plastyczny zaczyn, wiąże i twardnieje na skutek reakcji chemicznych

WIĄZANIE

WIĄZANIE SPOIWA

SPOIWA

- proces chemiczny w wyniku, którego spoiwo zmienia stan

skupienia z ciekłego na stały (od kilkunastu minut do kilku godzin)

CZAS

CZAS WIĄZANIA

WIĄZANIA

- jest to przedział czasu od chwili zmieszania spoiwa z wodą lub

roztworem wodnym do utraty przez to spoiwo (mieszaninę) pewnej plastyczności.
Spoiwo traci zdolność do odkształceń plastycznych

TWARDNIENIE

TWARDNIENIE SPOIWA

SPOIWA

- dalszy ciąg procesu wiązania, w którym spoiwo nabiera

wytrzymałości mechanicznej (od kilku do kilkudziesięciu dni a nawet lat)

KONIEC

KONIEC TWARDNIENIA

TWARDNIENIA

- jest to czas, po którym spoiwo staje się na tyle wytrzymałym

mechanicznie materiałem, że może zostać obciążone siłami zewnętrznymi

ZACZYN

- mieszanina spoiwa z wodą lub roztworem wodnym

ZAPRAWA

- zaczyn + kruszywo drobne

P O D S TAW O W E K L A S Y F I K A C J E S P O I W

PODZIAŁ SPOIW ZE WZGLĘDU NA RODZAJ SUROWCA

CaCO

(wapie

)

wapienne

cementowe

CaSO

·2H

(gips)

CaSO

(anhydryt)

gipsowe

anhydrytowe

MgCO

(magnezyt)

CaCO

·MgCO

(dolomit)

magnezjowe

O ·nSiO

·kH

(szkła wodne)

O -> K

O, Na

krzemianowe

spoiwa mineralne

PODZIAŁ SPOIW ZE WZGLĘDU NA RODZAJ ŚRODOWISKA, W KTÓRYM WIĄŻĄ

PODZIAŁ SPOIW ZE WZGLĘDU NA RODZAJ ŚRODOWISKA, W KTÓRYM WIĄŻĄ
I TWARDNIEJĄ

I TWARDNIEJĄ

POIWA POWIETRZNE

– wiążą i twardnieją tylko w środowisku powietrznym,

generalnie spoiwa z tej grupy są wrażliwe na działanie wody, wśród nich:

- wapno palone (w bryłkach lub mielone)
- wapno suchogaszone (hydratyzowane)
- wapno pokarbidowe
- spoiwa gipsowe
- spoiwa magnezjowe
- spoiwa krzemianowe

P O D S TAW O W E K L A S Y F I K A C J E S P O I W

POIWA

HYDRAULICZNE

– wi

ążą

i twardniej

zarówno w

rodowisku

powietrznym jak i wodnym, generalnie po zwi

zaniu s

odporne na działanie

wody, w

ród nich:

- cementy
- wapno hydrauliczne (wymieszane z dodatkami hydraulicznymi np.
aktywna

krzemionka zdolna do wi

zania wapna w

roztworzewodnym)

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

c y k l ż y c i a w a p n a

WAPNO PALONE (niegaszone) - otrzymujemy w bryłkach lub w postaci sproszkowanej.

W zależności od sposobu wypalania uzyskujemy:

WAPNO LEKKO PALONE (niedopalone) – mała gęstość pozorna , duża

powierzchnia właściwa, duża reaktywność

WAPNO OSTRO PALONE (przepalone) – duża gęstość pozorna, mała

powierzchnia właściwa, niska reaktywność

WAPNO GASZONE

CaO + H

O → Ca(OH)

(reakcja silnie egzotermiczna)

WAPNO HYDRATYZOWANE (suchogaszone) - otrzymujemy przez gaszenie wapna

palonego możliwie najmniejszą ilością wody (wynikającą z zapisu reakcji)

CIASTO WAPIENNE - produkt uzyskany przez gaszenie wapna dużą ilością wody
MLEKO WAPIENNE ; WODĘ WAPIENNĄ
WAPNO POKARBIDOWE - jest produktem ubocznym przy produkcji acetylenu z

karbidu CaC

+ H

O → C

+ Ca(OH)

(karbid poddany działaniu wody)

(acetylen) (wapno pokarbidowe)

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

r o d z a j e w a p n a b u d o w l a n e g o

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

r o d z a j e w a p n a w g P N

r o d z a j e w a p n a w g P N -- E N 4 5 9

E N 4 5 9 -- 1

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

w i ą z a n i e i t w a r d n i e n i e w a p n a

Procesy

Procesy wiązania

wiązania ii twardnienia

twardnienia wapna

wapna ::

-krystalizacja węglanu wapniowego (karbonatyzacja) zachodząca w
wyniku reakcji wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla z
powietrza w obecności wilgoci.

Ca(OH)

+ CO

→ CaCO

+ H

krystalizacja

wodorotlenku

wapniowego,

odparowanie

wody

powodujące zagęszczenie przesyconego roztworu, a w dalszym ciągu
następuje bardzo powolna krystalizacja Ca(OH)2, kryształy łącząc się
tworzą szkielet krystaliczny.

Twardnienie jest procesem powolnym, długotrwałym sięgającym nawet kilka lat.

ZALETY:

dostępność surowca,

bardzo duże rozdrobnienie

duże rozdrobnienie, powierzchnia właściwa 300

2000 m

/kg,

dobra urabialność zapraw oraz zdolność do łączenia się chemicznego z

zdolność do łączenia się chemicznego z

dodatkami hydraulicznymi

dodatkami hydraulicznymi (tworzą spoiwa hydrauliczne),

silna zasadowość

silna zasadowość – wykorzystywana do neutralizacji np. kwaśnych gruntów.
Wapno ma właściwości bakteriobójcze i dezynfekujące, co sprawia że tynki
wapienne zapobiegają rozwojowi pleśni i grzybów,

rysoodporność

rysoodporność – dobra współpraca z podłożem, wapno nie ulega spękaniom
(elastyczność). Odkształcalność zapraw wapiennym jest ceniona przy
restaurowaniu starych zabytkowych budynków,

spoiwa wapienne w środowisku nasyconym parą wodną i o podwyższonej

temp. tworzą z piaskiem trwałe i odporne na działanie wody związki

tworzą z piaskiem trwałe i odporne na działanie wody związki

(krzemiany wapniowe

krzemiany wapniowe).

korzystny wpływ na mikroklimat pomieszczeń (naturalny surowiec, duża

przepuszczalność pary wodnej (oddychanie ścian), korzystne właściwości
cieplne i akustyczne

możliwość recyklingu

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

WADY:

niewielka wytrzymałość

niewielka wytrzymałość – zaprawy wapienne dojrzewające w normalnych
warunkach po 90 dniach wytrzymałość na ścianie wynosi około 2 Mpa

mała odporność na działanie wody

energochłonność procesu produkcji

energochłonność procesu produkcji (wypalanie)

niebezpieczne podczas stosowania

, gdy

rozpuszczaj

tkanki ludzkie

powoduj

c trudno goj

ce si

rany (zagro

enie

lepot

wskutek oparze

oczu).

S P O I WA WA P I E N N E

S P O I WA WA P I E N N E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

SPOIWA

SPOIWA GIPSOWE

GIPSOWE

- wytwarzane przez częściową dehydratację skał gipsowych

(dolina rzeki Nidy, rejon Buska oraz Pińczowa) lub gipsów odpadowych (syntetyczny –
odsiarczanie spali w przemyśle energetycznym

CaSO

· 2H

O → CaSO

· 0,5H

O + 1,5H

SPOIWA ANHYDRYTOWE - otrzymywane w wyniku całkowitej dehydratacji skał
gipsowych lub przeróbki anhydrytu naturalnego

S P O I WA G I P S O W E I A N H Y D RY TO W E

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

i d e o w y s c h e m a t p r o d u k c j i

PODZIAŁ SPOIW GIPSOWYCH

w zależności od

temperatury wyprażania

gips szybkowiążący -

temp. wyprażania 200

początek wiązania do 15 min,

gips wolnowiążący -

temp. wyprażania 700

początek wiązania do około 1,5 godz.

w zależności od

ciśnienia pary wodnej

w urządzeniach do prażenia:

odmiana

αα

(niskie ciśnienie) - sieć przestrzenna bardziej zagęszczona,

mniejsza wodożądność, większa wytrzymałość,

odmiana

ββββ

(wysokie ciśnienie) - nieregularna struktura bardziej

zdefektowana

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

r o d z a j e g i p s u

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

r o d z a j e g i p s u

GIPS SYNTETYCZNY

- uzyskuje się w procesie odsiarczania spalin w energetyce

węglowej.

Metoda wapniowa, w której sorbentem
jest wodorotlenek wapniowy :

+ Ca(OH)

+ H

O → CaSO

+ 2H

siarczan wapnia

Różnice w porównaniu do gipsów naturalnych:

kształt i wielkość ziaren,

zawartość wilgoci,

gęstość nasypowa.

Gips syntetyczny stosowane jest jako regulator czasu wiązania w cementach.

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

r o d z a j e g i p s u

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

r o d z a j e w g

r o d z a j e w g P N

P N -- B

B 3 0 0 4 1 ,

3 0 0 4 1 , P N

P N -- B

B 3 0 0 4 2

3 0 0 4 2

ETAPY PROCESU WI

ZANIA

ETAPY PROCESU WI

ZANIA

I etap - rozpuszczanie gipsu w wodzie,

II etap - uwadnianie,

CaSO

· 0,5H

O + 1,5H

→

CaSO

· 2H

(siarczanu wapnia półwodnego)

→

(siarczany wapnia dwuwodnego)

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

w i ą z a n i e i t w a r d n i e n i e

III etap - krystalizacja, tworzenie si

kryształów gipsu dwuwodnego

ZALETY:

krótki czas wiązania i twardnienia,

łatwość produkcji i formowania wyrobów (metoda odlewania),

lekkość - gęstość objętościowa 300 (pianogipsy)

1300 (zaczyny zwykłe)

kg/m

w zależności od współczynnika w/g

duża wytrzymałość w stanie suchym,

mrozoodporność,

ognioodporność (materiał niepalny),

dobre właściwości cieplne i dźwiękochłonne (

=0,35

korzystne oddziaływanie na mikroklimat pomieszczeń,

dostępność surowca,

niskie koszty produkcji

możliwość uzyskiwania gładkich powierzchni lub odpowiednich faktur

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

- w kontakcie z wod

- kryształy zostaj

powleczone warstewk

wody,

co obni

a tarcie wewn

trzne,

- kryształy CaSO

·2H

O s

ęś

ciowo rozpuszczalne

w wodzie,

Przyczyny i konsekwencje braku odporno

na kontakt z wod

Efekt:

obni

enie wytrzymało

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

WADY:

gwałtowny

spadek wytrzymałości po zawilgoceniu

współczynnik

rozmiękania k = 0,25

0,50

materiał hydrofilny

- szybkie i duże podciąganie kapilarne, duża

nasiąkliwość (stosowanie dodatków hydrofobowych ogranicza chłonność
wody nie zmniejszając oporu dyfuzyjnego)

korozyjne oddziaływanie na elementy stalowe

( pH =7,0)

pełzanie w stanie zawilgocenia

mała odporność na uderzenia

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

–

w ł a ś c i w o ś c i

Zaczyny i zaprawy

•

zaprawy i wyprawy gipsowe,

•

gładź z zaczynów gipsowych modyfikowanych dodatkami

organicznymi,

•

samopoziomujące się podkłady pod podłogi,

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

– z a s t o s o w a n i e

z a s t o s o w a n i e

Wyroby prefabrykowane:

•

pustaki ścienne i stropowe,

•

elementy ścianek działowych,

•

płyty kartonowo-gipsowe,

•

galanteria gipsowa

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

– z a s t o s o w a n i e

z a s t o s o w a n i e

ZASTOSOWANIE

płyty gipsowo

płyty gipsowo--kartonowe

kartonowe

Standardowe wymiary płyt

grubość:

płyty zwykłe – 9,5 ; 12,5 ; 15 mm,

płyty giętkie - 6 lub 6.5 mm

płyty do ścianek masywnych 20 i 25 mm

szerokość - 1200 lub 1250 mm

długość - 2 do 3 m (4m)

S P O I WA G I P S O W E

S P O I WA G I P S O W E –

– z a s t o s o w a n i e

z a s t o s o w a n i e

Cementy s

spoiwami hydraulicznymi

, to znaczy,

e po poł

czeniu z wod

wykazuj

zdolno

ść

zania i twardnienia zarówno w powietrzu

jak i w wodzie.

Głównym

produktem

hydratacji

(uwodnienia)

spoiwa s

zwi

zki (hydraty) wykazuj

ce stabilno

ść

zarówno w

rodowisku powietrznym jak

i wodnym.

S p o i w a c e m e n t o w e

Wapie

Glina

Klinkier

Gips

ew. dodatki mineralne

Cement

Mielenie w młynie kulowym

Rozdrabnianie, homogenizacja
1/ metoda sucha: granulat
2/ metoda mokra: szlam
Wypalanie
piec obrotowy 1450

główne surowce

S p o i w a c e m e n t o w e

S p o i w a c e m e n t o w e –

– z a r y s p r o d u kc j i

z a r y s p r o d u kc j i

S p o i w a c e m e n t o w e

S p o i w a c e m e n t o w e –

– z a r y s p r o d u kc j i

z a r y s p r o d u kc j i

kruszarka

wst

pna

homogenizacja

dodatki

młyn kulowy

silosy

piec obrotowy

magazyn klinkieru

schładzacz

prekalcynacja

800 – 1000

młyn

składniki

dodatkowe

ok. 1450

S p o i w a c e m e n t o w e

Cement portlandzki jako typowe spoiwo cementowe

Cement portlandzki
składa si

w ok. 95% z odpowiednio zmielonego

klinkieru portlandzkiego i ok. 5% dodatku
gipsu jako regulatora wi

zania.

Klinkier portlandzki
powstaje w wyniku wypalenia odpowiednio
przygotowanych surowców w temperaturze ok.
1450

Pocz

tki produkcji spoiwa we Francji: Louis Vicat, 1817 r.

Opatentowanie cementu portlandzkiego w Anglii: Joseph Aspdin, 1824 r.

S p o i w a c e m e n t o w e

≈

80% +

≈

20%

kamie

wapienny surowce ilaste (glina)

CaO

; SiO

; Fe

; …

Orientacyjny skład surowcowy klinkieru portlandzkiego

S p o i w a c e m e n t o w e

Skład tlenkowy klinkieru (cementu) portlandzkiego

Oznaczenie

Nazwa

Zawarto

ść

[% m.]

Zakres

rednio

CaO

tlenek wapnia

60-70

Si0

krzemionka

18-25

tlenek glinu

4-9

tlenek

elaza

1-5

MgO

tlenek magnezu

1-5

trójtlenek siarki

1-3

0 + K

tlenek sodu

i potasu (alkalia)

0,5-1,8

0,8

S p o i w a c e m e n t o w e

Wzór chemiczny

Skrót

Nazwa

Wła

ciwo

Zawarto

ść

[% masy]

3CaO·Si0

krzemian
trójwapniowy

(alit)

• wysokoaktywny
• wysokokaloryczny

(szybki przyrost

wytrzymało

ci)

35-65

2CaO·Si0

krzemian
dwuwapniowy

(belit)

•

rednioaktywny

• niskokaloryczny

(powolny, lecz du

przyrost wytrzymało

ci)

15-40

3CaO· Al

glinian
trójwapniowy

(celit)

• bardzo wysoko

aktywny

• wysokokaloryczny
(przyspiesza wi

zanie)

8-12

4CaO ·Al

· Fe

elazoglinian

czterowapniowy

(braunmilleryt)

• słaboaktywny
•

redniokaloryczny

(mała wytrzymało

ść

)

8-12

Skład mineralogiczny klinkieru (cementu) portlandzkiego

Podstawowe informacje o wi

zaniu cementu

Stwardniały zaczyn cementowy powstaje w wyniku reakcji
chemicznych mi

dzy cementem i wod

(reakcje hydratacji).

Zło

ony proces chemiczny, podczas którego podstawowe składniki

mineralne klinkieru (cementu portlandzkiego)

reaguj

z wod

tworz

c nowe, nie rozpuszczalne w wodzie zwi

zki

(hydraty).

W najwi

kszym stopniu w rozwoju wytrzymało

ci uczestnicz

tworz

c faz

C-S-H (uwodnione krzemiany wapnia)

C-H (wodorotlenek wapniowy; portlandyt)

S p o i w a c e m e n t o w e

W du

ym uproszczeniu reakcja hydratacji alitu C

S et belitu C

S przebiega

nast

puj

co:

lub +

H2O

----> C-S-H + Ca(OH)

+ Q

Najwa

niejszymi produktami hydratacji (hydratami) s

uwodnione

krzemiany

wapniowe C-S-H

wyst

puj

ce w postaci tzw.

elu cementowego.

el ten wpływa na

kszo

ść

wła

ciwo

ci stwardniałego zaczynu cementowego.

Ca(OH)

(portlandyt) decyduje o pH, składnik słaby, rozpuszczalny w wodzie.

Reakcja

z wod

jest gwałtowna (wydzielanie du

ych ilo

ci ciepła) i powinna by

kontrolowana przez dodatek (ok. 5% m) gipsu lub anhydrytu. W wyniku uwodnienia
powstaj

siarczanogliniany, najcz

ęś

ciej w postaci

ettringitu(3CaO.Al

.CaSO

.31H

O).

Podczas reakcji

z wod

wydziela si

niewiele ciepła. Uwodnienie C

w niewielkim stopniu wpływa na rozwój wytrzymało

ci.

S p o i w a c e m e n t o w e

Ogólna klasyfikacja cementów powszechnego u

ytku

Oznaczenie

Nazwa

Orientacyjny skład

CEM I

Portlandzkie

klinkier

CEM II

Portlandzkie
z dodatkami

klinkier + 6 do 53% dodatek
(

el wielkopiecowy, popioły lotne,

czka wapienna, itp.)

CEM III

Hutnicze

klinkier + 36 do 95%

wielkopiecowego

CEM IV

Pucolanowe

klinkier + 11 do 55% dodatków
pucolanowych

CEM V

Wieloskładnikowe klinkier + 36 do 90%

el i dodatek

pucolanowy

Stosowanie dodatków mineralnych, b

cych odpadami z innych przemysłów,

umo

liwia obni

enie emisji CO

oraz obni

enie energochłonno

ci produkcji.